唐小英

（成都醫(yī)學院人文信息管理學院，四川 成都 610500）

運動項目選擇的生物力學研究
——從膝關節(jié)承重的視角*

唐小英

（成都醫(yī)學院人文信息管理學院，四川 成都 610500）

從膝關節(jié)承重的視角對運動項目選擇進行研究，在膝關節(jié)受力分析的基礎上，建立了膝關節(jié)承重的生物力學模型。選取10個運動項目進行考察，通過運動實驗獲得運動相關參數(shù)，計算出各運動項目膝關節(jié)承重的峰值大小及平均值。結(jié)果顯示，太極拳、爬山項目膝關節(jié)承重較大，游泳、步行膝關節(jié)承重較小，跑步、球類等項目膝關節(jié)承重處在中間位置。在此基礎上給出各年齡組運動項目選擇建議。

運動項目；膝關節(jié)；受力分析；剛體力學；模型

運動健身目前已經(jīng)成為國人日常生活的重要組成部分，適宜的體育運動不僅有益于我們的身體健康,也有益于心理健康。但是對運動項目不加選擇，盲目從眾，運動時不講科學，鍛煉效果就可能達不到強身健體的目的，甚至對身心產(chǎn)生傷害。

人體膝關節(jié)由股骨內(nèi)、外側(cè)髁和脛骨內(nèi)、外側(cè)髁以及髕骨構成，是下肢運動的樞紐，因其解剖結(jié)構特點決定了在運動中承載著巨大的負荷。研究指出，不當?shù)捏w育運動會增加關節(jié)面之間的摩擦，使關節(jié)面損傷，從而發(fā)生骨關節(jié)炎導致膝關節(jié)疼痛，其傷病率位居所有關節(jié)之首［1,2]。人類的關節(jié)可以在 30歲左右就產(chǎn)生沒有癥狀的退化改變,且女性膝關節(jié)病人比例比男性更高。50歲以上人群中,骨性關節(jié)病在導致長期殘疾的疾病中僅次于心血管疾病排在第二[3]。

分不同性別、不同年齡、不同身體狀況選擇運動項目，有意識去保護膝關節(jié)是一個重要課題,因此研究人體膝關節(jié)的生物力學特性對認識關節(jié)力學行為、有意識地保護關節(jié)、減少關節(jié)損傷有積極意義。

對膝關節(jié)及膝關節(jié)韌帶進行生物力學分析是防止膝關節(jié)損傷和治療膝關節(jié)疾病的基礎[4-7]。膝關節(jié)承受壓力是膝關節(jié)的重要功能和容易造成損傷的原因之一。膝關節(jié)所承受的壓力與屈膝角度有關，也與身體各部位（軀干、小腿等）的傾斜度有關，其運動是很復雜的。本文使用生物力學的方法對膝關節(jié)所承受的壓力進行研究，對指導科學體育訓練和運動醫(yī)學治療，預防膝關節(jié)運動損傷、防止膝關節(jié)炎癥、合理提高運動成績等方面提供模型和數(shù)據(jù)基礎。

1 膝關節(jié)承重的生物力學模型

1.1 膝關節(jié)受力分析

人體各部位的受力是相當復雜的，涉及到大量生物力學知識與物理知識，為簡化計算、方便建模，我們將復雜的膝關節(jié)生理構造合理簡化。膝關節(jié)由股骨踝、脛骨平臺、腓骨、髕骨、韌帶、半月板、關節(jié)軟骨、肌肉等共同組成。圍繞膝關節(jié)我們將其簡化成4部分，上肢、股骨、髕骨、脛骨，在脛股關節(jié)處，我們將其復雜構造簡化成關節(jié)球，四條韌帶簡化成一條：交叉韌帶。人體在曲膝運動時，若以“股骨”為研究對象：以交叉韌帶（髕骨位置）為支點，其力學結(jié)構如圖1所示：

圖1 人體下肢受力分析圖

2.2 膝關節(jié)承重的生物力學模型

假設人體處在曲膝運動狀態(tài)，以髕韌帶（髕骨位置）為支點，由剛體力學理論，可得脛骨合外力矩為0：

于是有膝關節(jié)承受壓力：膝關節(jié)承重量受體重、身高、運動速度、身體姿勢等的影響。

3 應用生物力學模型計算各運動項目膝關節(jié)承重的大小

競技體育運動項目分為賽艇類、賽車、球類、速度力量型、耐力型、表現(xiàn)難美型、技能準確型、格斗對抗型、鐵人三項等九種類型，目前國際奧運會體育運動項目大致分為奧運項目28大項、非奧運項目12項。民族民間傳統(tǒng)體育項目的種類更加繁多，比如滾鐵環(huán)、跳皮筋、踢鍵子、拔河、抽陀螺、跳竹竿舞、少年拳等等。

為了便于分析比較，我們選取日常生活中人們普遍采用的體育運動項目。北京市體育局“全民健身科普知識手冊[8]”推薦項目：步行、游泳、太極拳、爬樓爬山、跳繩、踢鍵、廣場舞（健身操）等。除此之外根據(jù)全民健身項目選擇傾向的群體特征[9]，增加羽毛球（球類）、慢跑、騎自行車，共10個項目作為研究項目。

3.1 參數(shù)選擇

根據(jù)國家技術監(jiān)督局頒布“中國成年人人體尺寸”[10]、“中國成年人環(huán)節(jié)相對質(zhì)量和環(huán)節(jié)質(zhì)心相對位置國家標準”[11]：參數(shù)股骨長度、脛骨長度、上肢重力、大腿重力與身高、體重的關系為

髕韌帶到膝蓋支點中心距離通過多次測量，結(jié)果為：

3.2 數(shù)值計算

表1 運動項目與膝關節(jié)承重對應表

結(jié)果顯示：運動項目中膝關節(jié)承重峰值較大的是爬山、羽毛球、太極拳、跳繩，膝關節(jié)負重狀態(tài)下平均承重較大的是太極拳、爬山。兩項指標均較小的是游泳、步行。

4 從膝關節(jié)承重的視角看運動項目選擇

運動可以幫助人們鍛煉意志、強身健體、尋找快樂和增強自信，隨著現(xiàn)代健身娛樂項目的不斷開發(fā)，可供人們選擇的體育活動形式也越來越多。若對運動項目不加選擇，盲目從眾，則運動可能達不到強身健體的目的，甚至會對身體產(chǎn)生傷害。通過比較典型運動項目膝關節(jié)承重的大小關系，可以從膝關節(jié)承重的視角對運動項目選擇提出建議。

4.1 膝關節(jié)承重較大的運動項目

從表2中可以看出，太極拳、爬樓爬山運動膝關節(jié)承重是非常大的。

太極拳作為中華武術文化的瑰寶，具有低成本、低技術要求、低沖擊的特點，通過太極拳練習可提高習練者全身血氧含量，改善心肺功能，對慢性心血管疾病具有積極的防治作用［12，13］。然而許多調(diào)查和研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過一段時間太極拳練習后，常會出現(xiàn)膝關節(jié)疼痛的現(xiàn)象［12，13］，甚至膝關節(jié)出現(xiàn)明顯病變。這與太極拳的全部動作中膝關節(jié)持續(xù)彎曲產(chǎn)生較大的膝關節(jié)承重具有較大相關性。

登山運動已經(jīng)成為國人休閑娛樂、放松身心的一項熱門運動。根據(jù)中國登山協(xié)會對登山戶外運動人口的調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，2015 年全國登山戶外人口數(shù)達1.3億，然而登山運動對身體的傷害，特別是膝關節(jié)的損傷也是不容忽視的。越來越多的報道顯示，運動對膝關節(jié)有較大影響。2012年45歲有近20年爬山史的西安資深驢友張凡被醫(yī)生告知膝關節(jié)軟骨已全部磨光，需要人工關節(jié)置換手術才能解決，而導致膝蓋損傷的原因就是經(jīng)常爬山。

太極拳、爬樓爬山運動，不適合作為長期、經(jīng)常的運動項目，不能作為全民健身的廣泛推薦項目。

4.2 運動項目選擇

人類在15歲以前膝關節(jié)處于發(fā)育階段，在運動項目的選擇問題上，應避免過分負重的項目，比如舉重、馬拉松等。乒乓球、跆拳道、游泳、跳繩、輪滑等應是比較好的選擇。

15歲-30歲時，膝關節(jié)處于最佳狀態(tài)，只要不破壞到膝關節(jié)組織，運動項目均可以選擇。一些集體項目，比如籃球、排球等應是極好的選擇，不僅鍛煉身體，還能鍛煉品格和意志，同時集體項目的趣味性可以提高體育鍛煉的忠誠度。

30歲-50歲時，髕骨軟骨產(chǎn)生了早期輕度磨損，半月板的退變也開始產(chǎn)生，但由于髕骨軟骨沒有神經(jīng)分布，有的人甚至還會察覺不到。在這段時期內(nèi)要避免劇烈運動。在運動項目的選擇問題上，應避免長期高負重的項目，比如長期、頻繁進行爬樓爬山運動等。比較好的選擇有健身跑、游泳、騎自行車、體育舞蹈、籃球、羽毛球、乒乓球等。

50歲是關節(jié)力量衰退的轉(zhuǎn)折點［14］。關節(jié)的穩(wěn)定性和活動性逐漸變差，關節(jié)軟骨厚度減小及鈣化、彈性喪失，滑膜面纖維化、關節(jié)面退化等一系列退行性改變［15］。此年齡階段是加強動作控制能力和實施預防跌倒工作的關鍵敏感年齡，應避免上下樓梯和爬山，必要時可以使用拐杖來減輕膝關節(jié)承受的壓力。比較好的選擇有步行、健身氣功、八段錦、廣場舞、門球、釣魚等。

當然，所有的運動項目選擇都不是絕對的，每個人的身體狀況、興趣愛好、經(jīng)濟條件等都不一樣，要做到因人而異，因時制宜。切記不是所有運動都對人的健康有益，只有科學有效的進行選擇，才能達到增強體質(zhì)、增進健康的效果。

5 結(jié)語

本文基于運動基礎上建立了膝關節(jié)生物力學模型，在此基礎上，對10個運動項目進行模型分析，通過計算，獲得了膝關節(jié)受力大小的峰值及均值等結(jié)果。在此基礎上，從膝關節(jié)承重的視角對運動項目選擇進行了分析。對指導運動項目選擇、科學體育訓練和體育醫(yī)學治療，預防膝關節(jié)運動損傷、防止膝關節(jié)炎癥等方面提供模型和數(shù)據(jù)基礎。

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On the Selection of Sports Items by Biomechanical Method——From the perspective of knee joint bearing

TANG Xiaoying
(Chengdu Medical College, Chengdu 610500 ,Sichuan, China)

2016年度四川省科技廳“軟科學計劃”項目資助（2016ZR0088）。

唐小英（1967-），山東濰坊人，碩士，副教授，研究方向：運動人體科學、民族傳統(tǒng)體育。